海上養(yǎng)殖設(shè)施與人工魚礁融合布局流場(chǎng)分析

， ，， ，

(1 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

自20世紀(jì)70年代末以來，海洋牧場(chǎng)主要以人工魚礁建設(shè)[1]和增殖放流等為主要技術(shù)手段，對(duì)修復(fù)海域資源、恢復(fù)近海嚴(yán)重衰退的漁業(yè)資源起到了積極的作用[2-4]。構(gòu)建人工魚礁群落，應(yīng)用網(wǎng)箱及筏架等養(yǎng)殖設(shè)施，可有助于實(shí)現(xiàn)漁民的轉(zhuǎn)產(chǎn)轉(zhuǎn)業(yè)。通過人工魚礁區(qū)[5-6]、網(wǎng)箱及筏架在海洋牧場(chǎng)內(nèi)綜合布局，放流適量的底棲生物[7]，吸引本地魚群在人工魚礁區(qū)中棲息繁衍，同時(shí)，在附近海域開展經(jīng)濟(jì)性魚類的網(wǎng)箱養(yǎng)殖，養(yǎng)殖大型藻類和貝類，是現(xiàn)代海洋牧場(chǎng)的主要模式之一[8]。美國(guó)自1968年正式提出了建設(shè)海洋牧場(chǎng)的計(jì)劃，到2 000年，人工魚礁數(shù)量達(dá)到2 400 處，海洋漁業(yè)資源量是投放前的43倍。日本在人工魚礁建設(shè)、藻場(chǎng)(海中林)造成、魚貝類增殖放流等技術(shù)研究與應(yīng)用方面走在世界前列[9]。中國(guó)的海洋牧場(chǎng)以政府推動(dòng)、企業(yè)參與管理與經(jīng)營(yíng)，充分發(fā)揮了海洋牧場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)價(jià)值，并兼顧安排 “雙轉(zhuǎn)”漁民再就業(yè)[10]。國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)海洋牧場(chǎng)人工魚礁單體及魚礁群的布局技術(shù)做了大量的研究[11-13]。白一冰等[14]建立了呂四漁場(chǎng)組合型人工魚礁群二維潮流數(shù)學(xué)模型，模擬礁群實(shí)施后周邊海域水動(dòng)力的變化。鄒濤等[15]用人工魚礁投放區(qū)的座底海床基獲取半年以上的水動(dòng)力觀測(cè)資料，通過譜分析、調(diào)和分析、濾波等方法分析該海區(qū)潮汐、潮流特征，并討論余流特征。劉長(zhǎng)根等[16]對(duì)大窗箱型魚礁、大小窗箱型魚礁、“卐(萬)字”型魚礁和雙層貝類增殖礁進(jìn)行流場(chǎng)分析，評(píng)價(jià)了魚礁流場(chǎng)效應(yīng)。蘭孝政等[17]研究了圓臺(tái)型礁的流場(chǎng)特征，流場(chǎng)、流態(tài)大部分指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)礁型。中國(guó)南方大部分養(yǎng)殖海域每年都會(huì)受到破壞性的臺(tái)風(fēng)影響[18]，北方渤海海域多年一遇的大型風(fēng)暴潮在寒潮大風(fēng)期間極易發(fā)生自然災(zāi)害，摧毀海洋牧場(chǎng)的養(yǎng)殖設(shè)施，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失[19]。

本研究根據(jù)水流速度在不同水層分布情況，提出在養(yǎng)魚網(wǎng)箱(圍欄)迎流面水域及其周邊間隔均布多個(gè)人工魚礁群落，在人工魚礁區(qū)的背流面區(qū)域放置貝類及大型藻類筏架，用于臺(tái)風(fēng)期間遮擋較高的流速，同時(shí)起到集魚和恢復(fù)海域生境的作用。本文對(duì)這種新型的人工魚礁、網(wǎng)箱及筏架的布局模式，尤其是人工魚礁區(qū)周邊的流場(chǎng)及殘餌糞便等污物[20]的攜帶能力進(jìn)行了分析研究。

1 人工魚礁、網(wǎng)箱(圍欄)及筏架的綜合布局

針對(duì)15 m水深的開放海域，將人工魚礁、網(wǎng)箱(圍欄)及筏架沿最大水流方向進(jìn)行布置。單個(gè)人工魚礁長(zhǎng)4 m、寬4 m、高4 m。各魚礁交錯(cuò)排列構(gòu)建成魚礁群，長(zhǎng)100 m、寬100 m、高4 m。如圖1所示，魚礁群按邊長(zhǎng)1.5倍的間距進(jìn)行排列。

圖1 人工魚礁、網(wǎng)箱(圍欄)和筏架綜合布置

在魚礁的迎流面，兩排礁群交錯(cuò)排列，在礁群背流面形成渦流，可降低水流速度[21]。在外部水流速度較高的情況下，保護(hù)了魚礁群落后部的網(wǎng)箱。同時(shí)，筏架區(qū)域放置在魚礁群落的后方，以期獲得適宜的養(yǎng)殖水體。在開放海域，人工魚礁群后部的網(wǎng)箱采用沉底式網(wǎng)箱養(yǎng)殖模式。在風(fēng)浪較大時(shí)，依靠人工魚礁群的遮擋作用，魚群可以集中在網(wǎng)箱或圍欄的下部，躲避海洋風(fēng)浪對(duì)魚群的影響。貝、藻筏架采用升降模式。魚礁區(qū)后部呈開放式，保持落潮時(shí)水流暢通，便于帶走網(wǎng)箱養(yǎng)殖過程中殘飼和沉積的污物。飼料投放過程中，會(huì)吸引附近的魚群前來覓食，覓食后在附近的礁群中棲息繁衍，有集魚作用。在水流作用下，網(wǎng)箱養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)物被傳遞至貝、藻養(yǎng)殖區(qū)，對(duì)水體進(jìn)行凈化；落潮時(shí)水流將礁區(qū)內(nèi)部過多的富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶走。底播生物可以消化、吸收海帶等水生植物的落葉，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建成生態(tài)型海洋牧場(chǎng)。運(yùn)用商用FLUENT軟件，基于RANS方程和有限體積法，對(duì)魚礁流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)魚礁區(qū)進(jìn)行優(yōu)化研究。

2 人工魚礁群落流場(chǎng)效應(yīng)分析

2.1 控制方程

流體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量守恒方程為：

(1)

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；xi為直角坐標(biāo)，m；ui為坐標(biāo)系下的速度，m/s。

以上給出的是瞬態(tài)可壓縮流體的質(zhì)量守恒方程。這里流場(chǎng)內(nèi)流體是不可壓的，且密度ρ為常數(shù)，式(1)可以寫成：

(2)

動(dòng)量守恒定律也是任何流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿足的基本定律。RANS方程可以寫成：

(3)

2.2 邊界條件

模型中的人工魚礁群及網(wǎng)箱、圍欄排列如圖2所示。為了簡(jiǎn)化流場(chǎng)計(jì)算的復(fù)雜程度，忽略網(wǎng)箱及筏架的阻力，魚礁固定壁面均為無滑移邊界條件，為檢驗(yàn)臺(tái)風(fēng)時(shí)強(qiáng)水流影響到海底的極端情況和海底較深區(qū)域的流場(chǎng)情況，矩形的上邊沿為來流方向，邊界條件為流速入口(Velocity inlet)，流速為1 m/s。矩形下邊沿為海水流出方向，使用出流(Outflow)為邊界條件來模擬流動(dòng)。矩形兩側(cè)邊，邊界條件設(shè)置為對(duì)稱邊界條件，模擬無限流場(chǎng)。

圖2人工魚礁群及網(wǎng)箱(圍欄)養(yǎng)殖沉淀物擴(kuò)散區(qū)模型

2.3 計(jì)算網(wǎng)格及其可靠性

為保證流場(chǎng)的穩(wěn)定性，計(jì)算域在魚礁群落前后各增加了50 D流場(chǎng)(D為對(duì)應(yīng)單個(gè)魚礁邊長(zhǎng))。計(jì)算流場(chǎng)設(shè)定為長(zhǎng)10 000 m，寬5 000 m的矩形區(qū)域。人工魚礁的中心位置坐標(biāo)為：X=2 500 m，Y=5 000 m。對(duì)魚礁群落采用O型網(wǎng)格處理辦法，為了保證計(jì)算質(zhì)量，壁面邊界層進(jìn)行了加密處理，整個(gè)流場(chǎng)均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(圖3)。無量綱距離y+控制在60～300之間，充分保證了計(jì)算網(wǎng)格的可靠性。

3 人工魚礁區(qū)流場(chǎng)效應(yīng)分析

3.1 流場(chǎng)情況及分析

圖4所示，在遇到風(fēng)暴潮或臺(tái)風(fēng)等極端海況下，設(shè)人工魚礁區(qū)海底層迎面區(qū)域海流速度為1.0 m/s，海流在迎流面的5個(gè)人工魚礁群后方形成渦流區(qū)[23]，流速范圍0.6～0.8 m/s，適合間隔放置養(yǎng)殖網(wǎng)箱(圍欄)。在整個(gè)人工魚礁群落后方，形成較大的渦流區(qū)，流速范圍0.2～0.67 m/s，便于放置可升降的貝、藻養(yǎng)殖筏架。在青島周邊海域底層海流最大流速為0.62 m/s，進(jìn)口邊界以0.62 m/s逆向流進(jìn)行數(shù)值模擬分析(圖5)，逆向流至筏架區(qū)域的流速為0.52～0.62 m/s。至網(wǎng)箱區(qū)域的流速由于礁群的作用使通道變窄，流速為0.47～0.72 m/s。流速適當(dāng)增加將有助提升海流對(duì)沉積物的攜帶能力。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖

圖4 人工魚礁區(qū)迎面流1.0 m/s速度流場(chǎng)等值線圖

圖5 人工魚礁區(qū)逆向流0.62 m/s速度流場(chǎng)等值線圖

3.2 沉淀物攜帶能力分析

網(wǎng)箱養(yǎng)殖過程中投放的殘余飼料和排泄物通常會(huì)形成沉淀物[24]，影響?zhàn)B殖水環(huán)境，因此需要水流將沉積物帶走、擴(kuò)散。安置在人工魚礁區(qū)內(nèi)的網(wǎng)箱可能會(huì)受魚礁遮擋效應(yīng)的影響而降低內(nèi)外水流交換，使沉積物堆積[25]，因此需要分析海流對(duì)人工魚礁區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖沉淀物攜帶能力。Fluent軟件可以通過求解描述每種組成物質(zhì)的對(duì)流、擴(kuò)散和反應(yīng)源的守恒方程來模擬混合和運(yùn)輸。在本計(jì)算區(qū)域內(nèi)包含水體和沉積物兩種材料，沉積物的密度設(shè)為1 100 kg/m3、黏度0.033 1 kg/(m·s)[26]，通過水體的流動(dòng)及沉積物的擴(kuò)散效應(yīng)，將沉積物攜帶出養(yǎng)殖水域。

如圖3所示，網(wǎng)格劃分區(qū)域的中部添加3塊區(qū)域單獨(dú)劃分網(wǎng)格，形成3個(gè)獨(dú)立的流體區(qū)域，根據(jù)100 m×100 m養(yǎng)殖圍欄的投飼量1 125 kg/d，其中15%直接落入水中，75%用于增加魚的體質(zhì)量和維持魚類生命，剩余10%以排泄物的形式進(jìn)入水體[27]。換算為流體區(qū)域內(nèi)沉積物擴(kuò)散量為2.17×10-8kg/(m3·s)。

模擬對(duì)象為青島田橫島附近海域，潮流類型屬規(guī)則半日潮流，潮流運(yùn)動(dòng)形式以往復(fù)流為主。青島沿海潮汐規(guī)律：大潮，初一、初二、十四、十五、十六、廿九、三十；中潮，初三、初四、初五、初六、十八、十九、廿、廿一；小潮，初七、初八、初九、廿二、廿三、廿四；長(zhǎng)潮，初十、十一、十二、十三、廿五、廿六、廿七、廿八。各層流速最大值均出現(xiàn)在表層，流速基本上自表層至底層逐漸減小。大潮期漲、落潮底層平均流速為0.31 m/s，小潮期漲、落潮底層平均流速為0.17 m/s，中潮期平均流速為0.24 m/s；大潮期漲潮流底層最大流速為0.62 m/s，落潮流底層最大流速為0.62 m/s，小潮期漲潮流底層最大流速為0.32 m/s，落潮流底層最大流速 0.36 m/s。

簡(jiǎn)化后的規(guī)則半日潮及往復(fù)流速度模型：

(4)

式中：v(d,t)—往復(fù)潮流速度，m/s；d—每月初一～卅；t—時(shí)間，1～24 h；INT表示取整函數(shù)，按四舍五入取整。

二次開發(fā)的入口速度變化UDF程序經(jīng)Fluent編譯后，由流速進(jìn)口邊界調(diào)用，實(shí)現(xiàn)入口速度隨時(shí)間的變化而變化。根據(jù)半日潮及往復(fù)流的特性，每天海流方向每隔6 h發(fā)生變換。數(shù)值模擬分析了1個(gè)月的周期的小潮、中潮及大潮，往復(fù)海流(迎面流、逆向流)對(duì)沉積物的攜帶情況。

模擬結(jié)果顯示，無論是迎面流還是逆向流，都具有將沉淀物輸送遷徙的能力，但是過低的流速比如小潮時(shí)，沉淀物容易在局部區(qū)域由于渦流的作用使沉淀物的遷徙速度減緩，增加了局部的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(指溶液中溶質(zhì)質(zhì)量與溶液質(zhì)量之比)，如小潮時(shí)沉淀物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.80×10-6%，大潮時(shí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.36×10-6%。同時(shí)，沉淀物的遷徙距離與流速有關(guān)，如圖6所示，在小潮時(shí)，沉淀物的遷徙距離為3 672 m，中潮時(shí)的距離為5 184 m，大潮時(shí)的距離為6 696 m。海流將沉淀物遷徙至較遠(yuǎn)的距離，有利于物質(zhì)的擴(kuò)散，使養(yǎng)殖區(qū)域沉淀物濃度降低。圖7為逆向流沉淀物遷徙，攜帶至魚礁群落外部的部分沉淀物又被帶回魚礁群落內(nèi)，中部的沉積物質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有上升，最高為3.19×10-6%，隨著時(shí)間的推移，質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸下降，最后被潮流帶出人工魚礁群落。

在海流為1.0 m/s的前提下，沉積物在水流的帶動(dòng)下發(fā)生遷徙，質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為1.10×10-8%，海流攜帶沉積物能力良好，可見極端海況比如臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮有利于海底沉積物的擴(kuò)散。在最大逆向流為0.62 m/s的前提下，沉積物在水流的帶動(dòng)下發(fā)生遷徙，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.68×10-8%，水體攜帶沉積物能力尚好。

圖8所示，0～259 200 s是為期3 d的小潮期間，由于海流速度較低，網(wǎng)箱(圍欄)養(yǎng)殖過程中形成的沉積物不能遠(yuǎn)距離擴(kuò)散，沉積物逐漸增加；259 200～604 800 s是為期4 d的中潮期間，由于海流速度有所提升，沉積物攜帶增強(qiáng)，沉積物面積加權(quán)質(zhì)量不再增加；604 800～777 600 s是為期2 d的大潮期間，海流速度快速提升，沉積物質(zhì)量大幅減少。

圖6 養(yǎng)殖區(qū)域迎面流沉淀物遷徙圖

圖7 養(yǎng)殖區(qū)域逆向流沉淀物遷徙圖

圖8 沉積物面積加權(quán)平均值與流動(dòng)時(shí)間

4 結(jié)論

利用Fluent軟件，對(duì)人工魚礁群落、養(yǎng)殖網(wǎng)箱及貝、藻養(yǎng)殖筏架綜合布局模式的流場(chǎng)做了深入分析。結(jié)果表明，在養(yǎng)殖網(wǎng)箱(圍欄)外圍，尤其是臺(tái)風(fēng)作用在水面形成的迎流面方向交錯(cuò)設(shè)置人工魚礁形成屏障，遮擋較高水流速度，可大幅降低流入礁群內(nèi)的水流速度，對(duì)設(shè)置在內(nèi)部的網(wǎng)箱(圍欄)起到了有效的保護(hù)作用。構(gòu)建的規(guī)則半日潮往復(fù)水流模型，揭示了人工魚礁區(qū)內(nèi)攜帶網(wǎng)箱(圍欄)養(yǎng)殖過程中形成的沉淀物的能力。在小潮漲落潮期間，養(yǎng)殖沉淀物會(huì)有所上升，但隨著中潮和大潮的到來，海底流速上升，加快了沉淀物的擴(kuò)散，并提高了海流對(duì)沉積物的攜帶能力，養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)的沉積物減少。網(wǎng)箱及筏架本身阻力對(duì)流速會(huì)有一定的影響，考慮到過于復(fù)雜的模型可能會(huì)影響結(jié)果的精確性，因此未能加入綜合研究。貝、藻對(duì)擴(kuò)散的沉積物具有一定的過濾與吸收能力，凈化水質(zhì)。目前該模型尚未深入研究，待貝藻對(duì)沉淀物吸收模型建立后進(jìn)一步討論。

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